全固体電池の高出力・高エネルギー密度化に向けた硫化物リチウム導電体の探索と設計

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Liイオン導電性を示す無機固体は全固体型の次世代Liイオン電池への応用が期待される物質である。しかし、他のイオン導電体の無機材料と同様、設計指針は明らかでない。イオン導電率を向上させるために膨大な数の構造・組成の探索が必要であり、新材料の創出は試行錯誤に頼らざるを得ない。一方、近年の計算機の処理速度向上、及びLi含有化合物に関する実験データの弛まぬ蓄積のおかげで、膨大な実験データを計算科学に基づいて利用した、効率的かつ高速な材料創出が現実味を帯びてきた。本研究は合成実験と計算科学の手法を組み合わせ、Liイオン導電体の設計指針の獲得と新物質の合成を目的とした。合成実験はLi-P-S-O系を対象に行い、硫化物への酸素添加効果を検証した。これまでのLiイオン導電体探索は主に酸化物系と硫化物系で別々に進展してきたが、二つの間に位置する酸硫化物のグループは、より多様な組成が可能な今後の探索領域の一つである。調べた限り先行研究には報告例が無い形のX線回折図形が得られ、Li-P-S-O系に未知構造を持つ物質が存在することが示唆された。この未知構造の物質の回折強度は同様組成の別の構造に比べて異常に高い。この理由を調べることで他の構造を持つ試料の結晶性を高める方法が見つかる可能性がある。また、未知構造を持つ試料のイオン導電率は0.8-1.4 mS/cmであり、他の構造を持つ試料よりも高い傾向を示した。未知構造を構造解析により決定して探索の起点とすることで、さらに高いイオン導電率を示す物質が得られると期待される。酸素導入が構造に与える影響を調べるために第一原理計算を利用し、基底状態での電子の全エネルギーの差を、異なる構造型間において求めた。酸素導入により硫化物の相対的な構造安定性が変わることが示唆され、Liイオン導電性が期待できる構造の実現性予測へ前進した。